06 BIOMECHANIKA KOSTERNÍ SOUSTAVY

• Makrobiomechanika - rozlišovací úroveň: orgány, orgánové struktury a anatomicky ohraničené tkáňové komponenty (např. pohyb v loketním kloubu)
• Mikrobiomechanika - rozlišovací úroveň: celulární a subcelulární, jednotlivé buňky, buněčné komplexy a mezibuněčné komponenty (např. mechanická interakce aktinu a myosinu při svalové kontrakci)

• + APLIKOVANÁ BIOMECHANIKA ČLOVĚKA
• Je zaměřená na určitou aplikační sféru lidské činnosti a rozdělení není standardizované – podléhá aktuální potřebě praxe.
• Biomechanika práce,
• lékařská biomechanika,
• biomechanika sportu,
• forenzní biomechanika,
• inženýrská biomechanika atd.

• Tuhost - schopnost materiálu odolávat deformacím
• Pevnost (mez pevnosti) - pokud je překročeno mezní zatížení dochází k destrukci materiálu
• Elasticita - schopnost materiálu vrátit se po odeznění vnější zátěže do původního tvaru
• Plasticita (tvárnost) - schopnost materiálu uchovatdeformace i po vymizení vnější zátěže
• Tvrdost - odolnost materiálu vůči vrypu (proniknutí cizího tělesa)

hraniční hodnota zátěže (napětí), která tvoří přechod mezi pružnými (vratnými) a plastickými (nevratnými) deformacemi

• lineární
• nelineárním

viskoelastické materiály - závislost tuhosti na rychlosti deformace, na změnách zatížení a projevy relaxace a creepu v čase.

Jedná se o dlouhodobé odezvy viskoelastických materiálů na působení vnější síly. při aplikaci vnější síly se kromě okamžité deformační odezvy (či potřebné síly k vyvolání této deformace) v průběhu času při nezměněných podmínkách projevuje pozvolný nárůst deformace (či pokles potřebné zátěžové síly k udržení počáteční deformace). Po uplynutí určitého času se deformace či síla ustálí na konstantní hodnotě.

• Anizotropie – při různých směrech zatížení vykazují různé mechanické vlastnosti.
• Nehomogenita – nerovnoměrné rozložení hmoty v prostoru.
• Adaptabilita – schopnost měnit stavbu a mechanické vlastnosti na základě působení vnějších sil (zpětná vazba)
• Hystereze – závislost mechanických vlastností na historii předchozí zátěže.
• Biologická pevnost – hraniční napjatost, která působí-li po určitou dobu či opakovaně způsobí snižování mechanických vlastností či resorpci biologického materiálu
• Únava materiálu – snižování meze pevnosti způsobené cyklickým opakováním působení vnější zátěže
• Mez únavy – hodnota mechanického napětí, která když není překročena, tak je možné materiál zatěžovat neomezeným počtem cyklů
• Mechanická zátěž – silově deformační vliv okolního prostředí na živý organismus, který evokuje specifickou odezvu. Adaptační mechanismy (pozitivní, negativní)

Kost – komplexní biomateriál – různé mechanické vlastnosti podle struktury, lokality a směru zatížení, zátěžové historii atd. Vyznačuje se nehomogenitou a anizotropií.

• Limity tolerance – ohraničují pásmo fyziologických zátěží
• Dolní limit – práh citlivosti – nutná úroveň vnějších mechanických interakcí organismu pro jeho normální vývoj a funkci (resorpce kostní tkáně, atrofie svalu atd.)
• Horní limit – práh tolerance fyziologické adaptability – při překročení patologické reakce.

• její kolagenovou matricí a deponovanými minerály.
• Kolagenní vlákna odolávají velmi dobře tahu, ale pro jiné způsoby zatížení jsou poddajná. Minerální látky – dodávají kosti tvrdost a křehkost.

• Orientační objemové složení kompaktní kostní tkáně – 1/3 voda, 1/3 minerály, 1/3 kolagenní matrice.

• Hustota spongiozní tkáně dosahuje v průměru pouze 30% hustoty kompakty (kompakta 1,85 – 2 g/cm3 , spongioza 0,15 – 1 g/cm3).
• Spongioza dosahuje 5 - 10% pevnosti kompakty.
• Ohebnost spogiozní tkáně je 3 - 5x vyšší než u kompaktní kostní tkáně.
• Deformace u kompakty kolem 2% než dojde k poškození, u spongiozní tkáně 7%.

• U kompaktní kostní tkáně připadá více než 80% variability modulu pružnosti na rozdíly v mineralizaci kostní matrix a porozitě kostní
• tkáně.
• U spongiózní kosti připadá 60 - 90% variability modulu pružnosti na rozdíly v hustotě kostn tkáně. I malé změny hustoty spongiózní tkáně vedou k velkým změnám jejích mechanických vlastností.

• Mechanické vlastnosti spongiózy nezávisí pouze na vlastní hustotě, ale také na prostorovém uspořádání a množství trabekul spongiózní kostní tkáně. Redukce počtu trabekul spongiózy snižuje mechanické vlastnosti kosti 2 až 5× více než redukce tloušťky trabekul při stejném snížení hustoty kosti.
• Příklad: Odstranění trabekul při snížení hustoty o 10% vede až k 70% snížení mechanických vlastností kosti. Snížení tloušťky trabekul při snížení hustoty o 10% vede pouze k 20% snížení mechanických vlastnosti kosti.

kost je remodelována podle mechanického zatížení, které na ni působí

• struktura kosti je vybudována s minimálním množstvím materiálu při maximální pevnosti v daném směru.
• Přestavba kosti je řízena zpětnou vazbou, která je realizována prostřednictvím krystalků hydroxyapatytu a prostřednictvím smykových napětí, která stimulují buněčné procesy.

geometrické uspořádání vnější zátěže a tvar kosti (průřez, plocha, šířka stěny atd.).

10x

• Vliv zpětné vazby na remodelaci kosti – mech. vlastnosti dány historií zatěžování. Při imobilizaci (snížení míry zátěže) – snižování pevnosti i poddajnosti kosti.
• Zatěžování s dostatečnou intenzitou (trénink) – předcházení poruchám remodelace (osteoporóza).
• Věk – zvyšování tuhosti a snižování maximální deformace – absorpce menšího množství deformační energie než v mladším věku.
• Cyklická zátěž kostí
• Vhodná intenzita a množství cyklů – adekvátní remodelační procesy, pozitivní dopad na mechanické vlastnosti kosti.
• Vysoká frekvence cyklů překračující adaptační rychlost a velikost zátěžových sil nad mezí únavy – negativní reakce kosti – únavová mikrotraumata, únavové zlomeniny, degradace tvaru kosti atd.

• V souvislosti s cyklickým zatěžováním kostí v průběhu života dochází k akumulaci mikrotraumat, které snižují mechanické vlastnosti kostí – jejich kumulace vede až ke vzniku únavových zlomenin.
• Studie prokázaly, že po 40. roce se mikrotraumata kumulují rychleji u žen než u mužů.
• Mikrotraumata se hromadí mnohem rychleji, než ubývá kostní hmoty.

• patologický úbytek anorganické a organické komponenty se změnami mikrostruktury a mechanických vlastností kosti.
• U 16% české populace, 90% zlomenin krčku femuru je osteoporotickéhou původu, 50% žen starších 75 let kompresní zlomenina obratle

• Elastický modul kompakty uprostřed diafýzy femuru klesá přibližně o 2% za desetiletí po dosažení 20 let. Schopnost deformace a absorbování energie před zlomením kosti klesá přibližně o 5 - 12% za desetiletí. Největší podíl na tomto poklesu má zvyšování porozity kompaktní kosti spolu s věkem.
• U spongiózní kosti např. hustota tkáně obratlového těla klesá přibližně o 50% mezi 20 až 80 lety. Následkem toho klesá elastický modul a absorpce energie o 75 - 90%. V oblasti proximální diafýzy tibie je to pokles hustoty asi o 25% a snížení mechanických vlastností o 30-40%. U obratlových těl se zvyšuje míra anizotropie mezi vertikálním a horizontálním působením sil z poměru 2 ve 20 letech na poměr 3,5 v 80 letech.

Nejdůležitější z hlediska biomechaniky je postupná resorpce endostální oblasti a zvětšování dřeňové dutiny a na druhé straně apozice v periostální oblasti. Dochází ke zvětšování průměru diafýzy kosti, ale zároveň k snižování tloušťky kortikální kosti.

• - ohybové zlomeniny
• - smykové zlomeniny
• - kompresní zlomeniny
• - zlomeniny v krutu
• - mikrotraumata a další.

Mezi úlomky hematom – do hematomu prorůstají drobné kapiláry a řídká fibrózní tkáň – zpevnění kolagenními vlákny – ve třetím týdnu kalcifikace mezibuněčné substance (primární kostní svalek - callus) – při namáhání v této fázi se tvoří bezcévní vazivo s chrupavkou (vznik pakloubu) – pokud v klidu je primární svalek nahrazován lamelární kostí.

Osteosyntéza – spojování kostních úlomku tak, že zlomená kost spolu s osteosyntetickou pomůckou vytváří mechanický systém, který má přibližně stejnou pevnost jako neporušená kost.

• Stavba hyalinní chrupavky = pórovitá struktura (síť) tvořená vlákny kolagenu a elastinu, prostoupená tekutinou (až 80%).
• Jedná se o anizotropní a nehomogení tkáň – fyziologické zatěžování v tlaku.

• přenáší tlakové zatížení v kloubním spojení kostí, tlumí rázové zatížení, snižuje spolu se synoviální tekutinou koeficient tření mezi styčnými plochami kostí.
• Při zatížení v tlaku mění chrupavka objem – nejprve dochází k vytlačování tekutiny ze struktury chrupavky a následně ke zpevňování vlastní matrice chrupavky. Viskoelastické vlastnosti – větší zpevnění u rychlé zátěže.

• Velikost třecí síly nezáleží na velikosti styčných ploch, ale pouze na velikosti příčné síly a koeficientu tření.
• Poznámka: Koeficient tření zdravého kloubu je 0,001 - 0,02 (tření teflonu 0,04, kovu - 0,4)

• Synoviální tekutina a její lubrikační funkce
• - syn - řec. "jako", -oviál - řec. "vejčitý" (podobnost vaječnému bílku)
• Synoviální membrána
• - řidší vazivo + synoviální buňky
• - mimo styčné olochy vystýlá celou dutinu kloubní
• - schopnost rychle a úplně regenerovat
• - produkuje synoviální tekutinu
• Synoviální tekutina
• - průhledná, bezbarvá nebo slabě nažloutlá kapalina
• - makromolekulární kys. hyaluronová
• - krystaloidní filtrát krve prošlý synoviální membránou (velké molekuly nemohou prostupovat)

Normální kolenní kloub obsahuje asi 0,2 ml synoviální tekutiny, revmatický kloub obsahuje asi 200 ml. Synoviální tekutiny ztrácí mechanické vlastnosti. Osteoartritida způsobuje nižší koncentrace kyseliny hyaluronové a vyšší koncentrace proteinů.

Při nižší koncentraci kyseliny hyaluronové => nižší modul pružnosti ve smyku. Synoviální tekutina je viskózní a její smykové napětí => částečně mechanická energie uložena elasticky v definitivním proteinového komplexu